Fotosinteza, meritve fotosinteze. Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Fotosinteza, meritve fotosinteze Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 redukcija oksidacija Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

H 2 O CO 2 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Učinkovitost izrabe vode (water use efficiency) Fotosintezna učinkovitost izrabe vode (WUE Ph ) WUE Ph = fotosintez a transpirac ija [ μmol CO 2 m -2 s -1 / mmol H O m 2-2 s -1 ] Produkcijska učinkovitost izrabe vode (WUE P ) proizvodnj a biomase (org. suha snov) -1 WUE P = [ g DM kg H2O] poraba vode Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

KLOROPLAST Stroma lamele Notranja membrana Tilakoide Zunanja membrana Grana lamele Stroma Notranja membrana Tilakoida Lumen tilakoide Granum Stroma lamela Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

notranja membrana lumen tilakoide zunanja membrana stroma grana tilakoide stroma tilakoide

svetloba fotokemične reakcija - tilakoidana membrana kloroplasta biokemične reakcija - stroma kloroplasta kisik sladkor svetloba sladkor voda kisik Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

stroma e - reducent (NADPH) energija ATP H + ADP +P H 2 O tilakoida O 2 +H + H + H + H + H + H + lumen Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Elektronska transportna veriga Redoks potencial oksidirajoč reducirajoč rdeča svetloba dolgovalovna rdeča svetloba Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

svetloba svetloba karotenoidi klorofil b klorofil a antenski kompleks zmanjševanje energije reakcijski center reakcijski center Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

šibek reducent močan oksidant močan reducent Elektronska transportna veriga šibek oksidant oksidirajoč reducirajoč Redoks potencial rdeča svetloba dolgovalovna rdeča svetloba Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Citokrom b6f kompleks Kompleks, ki sprošča kisik svetloba svetloba Fotosistem II Fotosistem I

linearni (neciklični elektronski transport) ciklični elektronski transport svetloba citokrom b6f kompleks svetloba FOTOSISTEM II FOTOSISTEM I Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

sladkor voda kisik Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Calvin-ov cikel = reduktivni cikel pentoze fosfata ribuloze 1,5 bifosfat (3x) KARBOKSILACIJA RUBISCO REGENERACIJA REDUKCIJA 3-PGA = 3-fosfoglicerat GAP = gliceraldehid-3-fosfat

RUBISCO = ribuloze bifosfat karboksilaza / oksigenaza substrat: reakcija: ribuloze-1,5-bifosfat i) karboksilacija KARBOKSILACIJA CO 2 RUBISCO H 2 O 2 x ribuloze-1,5- bifosfat 2-karboksi-3-ketoarabinitol- 1,5-biofosfat 3-fosfoglicerat Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na presnovnem nivoju pomembni trije dejavniki aktivnost encima Rubisco regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP) metabolizem trioze fosfata (TPU) Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Stroma kloroplasta Škrob (primarni ali asimilacijski) Calvinov cikel Sladkor (trioza) Sladkor (trioza) Pi Sladkor (trioza) Pi Citoplazma Poraba v celici Saharoza Transport (floem)

RUBISCO = ribuloze bifosfat karboksilaza / oksigenaza substrat: reakcija: ribuloze-1,5-bifosfat. i) karboksilacija Ribuloze-1,5-bifosfat + CO 2 2 x 3-fosfoglicerat ii) oksigenacija (fotorespiracija) Ribuloze-1,5-bifosfat + O 2 2-fosfoglikolat + 3-fosfoglicerat + 2H + Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Fotorespiracija - svetlobno dihanje kloroplast fosfogligolat peroksisom ribuloze-1,5 -bifosfat enediolatni intermediat oksigenacija hidroperoksidni intermediat 3-fosfoglicerat

2C 2C 5C 3C +1C 2C -1C 2 x 3C 3C 3C

C 4 metabolizem

Atmosfera [ CO 2 ] 360 µl l -1 Celica mezofila [ CO 2 ] 100 µl l -1 Celica žilnega ovoja [ CO 2 ] 1000-2000 µl l -1

16.000 vrst rastlin, 33 družin CAM metabolizem

Meritve fotosinteze I. Meritve izmenjave plinov Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Meritve fotosinteze CO 2 + H 2 O sladkor + O 2 Meritve porabe CO 2 kemijske metode izotopske metode meritve absorpcije v IR spektru Meritve nastajanja O 2 kemijske metode (npr. titracija po Winkler-ju) kisikova elektroda

Fotosinteza + Dihanje + Svetlobno dihanje

Dihanje

SVETLOBNE REAKCIJE (tilakoidna membrana) TEMOTNE REAKCIJE (stroma kloroplasta) Δ O 2 Δ CO 2 O 2 CO 2 DIHANJE (RESPIRACIJA) (mitohondrij) SVETLOBNO DIHANJE FOTORESPIRACIJA) (kloroplast, peroksisom, mitohondrij)

Molekuli vode in ogljikovega dioksida absorbirata svetlobo v infrardečem delu spektra to lahko uporabimo za kvantitativno detekcijo obeh molekul

KONTROLA SVETLOBE in TEMPERATURE FOTOSINTEZA TRANSPIRACIJA STOMATALNA PREVODNOST KONTROLA [CO 2 ], RH vzorčna [CO 2 ] [H 2 O] Δ [CO 2 ] Δ [H 2 O] referenčna [CO 2 ] [H 2 O] IRGA infra-rdeči plinski analizator

s površina lista (m 2 ) a asimilacija CO 2 (mol CO 2 m -2 s -1 ) E transpiracija (mol CO 2 m -2 s -1 ) u i, u o hitrost vstopnega in izstopnega toka zraka (mol s -1 ) c i, c o molski delež ogljikovega dioksida v zraku (mol CO 2 mol -1 zraka) w i, w o molski delež vode v zraku (mol H 2 O mol -1 zraka) Transpiracija (E) in fotosinteza (a) spremenita koncentraciji vode in CO 2 zraka, ke prehaja komoro. Zaradi transpiracije se poveča tudi hitrost toka zraka (u o ).

se = u w 0 0 u w i i s površina lista E u, u i w i transpiracija (mol m 0, w 0 (m -2 hitrost vstopnega in izstopnega toka molski delez vode ) -2 s -1 ) (mol H 2 O mol (mol s zraka -1 ) -1 ) u = ui + 0 se E = u i s ( w 0 w i ) ( 1 w ) 0 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

sa = u i c i u 0 c 0 s površina lista (m 2 ) a asimilacija CO 2 (mol CO 2 m -2 s -1 ) u i, u o hitrost vstopnega in izstopnega toka zraka (mol s -1 ) c i, c o molski delež ogljikovega dioksida v zraku (mol CO 2 mol -1 zraka) u = ui + 0 se a = u i ( c c ) i s 0 E c0 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Različne izvedbe merilnih kivet za merjenje fotosinteze Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Kaj meriti? Kako meriti? merjenje posameznega lista (kateri list in koliko listov izbrati?) merjenje veje, poganjka merjenje cele rastline merjenje dnevnih potekov merjenje ob kontroliranih okoljskih dejavnikih moduliranje posameznega dejavnika ali več dejavnikov hkrati Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

kontrola oz. moduliranje teh dejavnikov ob meritvah izmenjave plinov okoljski dejavniki: svetloba, CO 2, voda, mineralna hranila fotosinteza + notranji dejavniki

Dnevni potek fotosinteze neto CO 2 asimilacija oblaki oblaki 6:00 18:00 6:00 18:00

Dnevni potek fotosinteze pri jablani Elstar (E) in Jonagold (J), za drevesa v sušnem stresu (S) in kontrolna drevesa (K) neto-fotosinteza [µmol CO 2 m -2 s -1 ] Pn 20 15 10 5 0-5 E-K E-S J-K J-S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 ura Helena Šircelj, doktorska disertacija, 2001

Trifolium repens Regal 1 Stomatal conductance [mol H2O m -2 s -1 ] 0,8 0,6 0,4 0,2 resistant clone sensitive clone Poly. (sensitive clone) Poly. (resistant clone) 0 7:40 10:04 12:28 14:52 17:16 19:40 Time [h:mm] Veberič Simon, dipl.delo

CAM metabolizem

porometer CAM metabolizem

Kontrola svetlobe in temperature Kontrola vlažnosti zraka in [CO 2 ] v zraku

Svetlobna odvisnost fotosinteze neto-fotosinteza [µmol CO 2 m -2 s -1 ] omejitveni d. je svetloba svetlobna kompenzacijska točka (sproščanje CO 2 = poraba CO 2 ) dihanje v temi omejitveni d. je ogljikov dioksid saturacija PFD, jakost svetlobe [µmol m -2 s -1 ]

Svetlobna odvisnost fotosinteze - primer fotosinteza (μmol CO 2 m -2 s -1 ) sončni list (rast pri 920 μmol m -2 s -1 ) senčni list (rast pri 92 μmol m -2 s -1 ) jakost svetlobe (μmol m -2 s -1 )

Fotoinhibicija Fotoinhibicija = zmanjšanje fotosintetske aktivnosti zaradi negativnih vplivov premočne svetlobe na fotosintetski aparat. optimalna fotosinteza fotosinteza (μmol m -2 s -1 ) dinamična fotoinhibicija (zmeren presežek svetlobe) kronična fotoinhibicija (velik presežek svetlobe) absorbirana svetloba (μmol m -2 s -1 )

Svetlobna odvisnost fotosinteze primer svetlobno različno adaptiranih mladih dreves bukve v starejšem sestoju smreke Neto fotosinteza (μmol CO2 m -2 s -1 ) 16,00 1 Fagus sylvatica 14,00 3 12,00 BRIČKA - Pohorje, 2002 8 11 10,00 18 8,00 22 6,00 23 25 4,00 31 2,00 37 44 0,00 47-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400-2,00 PFD (μmol m -2 s -1 )

Odvisnost fotosinteze od koncentracije CO 2 C 4 rastline asimilacija CO 2 (μmol m -2 s -1 ) C 3 rastline CO 2 kompenzacijska točka atmosferska koncentracija CO 2, C a (Pa)

Shema prikazuje pretok zraka, kontrolo vlage in konc. CO 2, pretoka in namestitev ref. in anal. analizatorjev IRGA v merilnem sistemu LI-6400 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

AC i - krivulja CO 2 (C i ) asimilacija CO 2 (μmol m -2 s -1 ) C 4 rastline C 3 rastline CO 2 (C a ) C i = C a A g l koncentracija CO 2 v listu, C i (Pa)

V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na metaboličnem nivoju pomembni trije dejavniki aktivnost encima Rubisco regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP) metabolizem trioze fosfata (TPU) Long in Bernacchi, 2003 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

V intaktnem listu so za optimalno fotosintezo na metaboličnem nivoju pomembni trije dejavniki 1. aktivnost encima Rubisco 2. regeneracija ribuloze bifosfata (RuBP) 3. metabolizem trioze fosfata V naravnih razmerah sta posebej ključna prva dva procesa (Tabela prikazuje vpliv svetlobe in CO 2 nanju).

- Echinochloa crus-galli - 25 Net-photosynthesis (umol CO2 m -2 s -1 ) 20 15 10 5 0-5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ci (umol CO 2 mol -1 ) nf_1 model_1 nf_2 model_2 nf_3 model_3

30 25 20 f(x) = -3,72+26,77*(1-exp(-0,0042*x)) soil CO 2 - Phleum pratense - 15 CO2 exchange ( µmol CO2 m -2 s -1 ) 10 5 0-5 -10 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 30 25 20 Plot 4 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Plot 7 CO 2 - exchange [µmol CO 2 m -2 s -1 ] f(x) = -4,71+25,39*(1-exp(0,0022)*x)) CO 2 - exchange [µmol CO 2 m -2 s -1 ] 30 25 20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 f(x) = -8,07+28,68*(1-exp(-0,0023*x)) f(x) = -1,425*10-5 +x r 2 = 0,97 15 10 5 0-5 -10-10 -5 0 5 10 15 20 25 predicted 30 f(x) = -1,32*10-6 +x 25 r 2 = 0,96 20 15 10 5 0-5 -10-10 -5 0 5 10 15 20 25 predicted 0.4 % 3 % Significant differences: A 2000, A 700, A 350 carboxylation efficiency CO 2 compensation point 15 10 5 0-5 -10 Plot 2 CO 2 - exchange [µmol CO 2 m -2 s -1 ] 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 f(x) = -6,46*10-6 +x r 2 = 0,93-10 -5 0 5 10 15 20 25 predicted 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 24 % Ci [µmol CO 2 mol -1 ] Ci ( µmol mol -1 )

netofotosinteza (µmol CO2 m -2 s -1 ) 32 22 12 2 NF=28,81*(1-exp(-0,0039*(Ci-54,78))) NF=21,84*(1-exp(-0,0045*(Ci-55,38))) Modela se statistično značilno razlikujeta v parametru: a in c 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 model za odporne klone model za občutljive klone netofotosinteza odpornih klonov netofotosinteza občutljivih klonov -8 Ci (µl l -1 ) PAR = 1500 μmol m -2 s -1 Odvisnost netofotosinteze odpornih in občutljivih klonov plazeče detelje (Trifolium repens Regal ) od intercelularne koncentracije CO 2 (Ci) za 17. dec. 2001 (rastlinjak).

Asimilacija CO 2 Intercelularna koncentracija CO 2 (ppm) Fotosinteza listov jablane Fuji /M26 prikazana je odvisnost fotosinteze od koncentracije CO 2 pri rastlinah, ki so različno prehranjene z dušikom (N g m -2 ): =1.02, =1.42, = 1.82, = 2.55, = 3.27, =4.25 Cheng in Fuchigami, 2000

Učinkovitost izrabe dušika (nitrogen use efficiency) Fotosintezna učinkovitost izrabe dušika (NUE Ph ) NUE Ph = fotosintez a vsebnost N na površino lista [ μmol CO 2 m -2 s -1 / mmol N m -2 ] Produkcijska učinkovitost izrabe dušika (NUE P ) NUE P = proizvodnj a biomase (org. vgrajeni dušik suha snov) [ g DM kg -1 N ] Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Fotosinteza - sezonski aspekt PAR 1500 µmol m -2 s -1 CO 2 2000 µmol mol -1 Fotosinteza - Jablana cv. 'Zlati Delišes' Fotosintetska kapaciteta (umol m -2 s -1 ) 40 30 20 10 0 15-sept 25-sept 5-okt 15-okt 25-okt čas

Fotosinteza listov polnih in obranih dreves jablane Zlati delišes. Rdeča puščica nakazuje odstranitev plodov Veberič, Vodnik & Štampar, Europ. J. Hort. Sci, 68 (4), 2003

Fotosinteza listov polnih in obranih dreves jablane Zlati delišes, foliarno gnojenih ali negnojenih s PK pripravkom Fotosinteza - jablana cv. 'Zlati Delišes' Fotosintetska kapaciteta (umol m -2 s -1 ) 40 30 20 10 0 kontrolapolna kontrolaobrana pk-polna pk-obrana Obravnavanje Veberič, Štampar & Vodnik, Gartenbauwissenschaft, 3, 2002

SVETLOBNE REAKCIJE (tilakoidna membrana) TEMOTNE REAKCIJE (stroma kloroplasta) Δ O 2 Δ CO 2 O 2 CO 2 DIHANJE (RESPIRACIJA) (mitohondrij) SVETLOBNO DIHANJE FOTORESPIRACIJA) (kloroplast, peroksisom, mitohondrij)

Kisikova elektroda katoda (Pt) O 2 membrana anoda (Ag) papir raztopina elektrolita plast. osnova Pt-katoda Ag-anoda O-ring

Kisikova elektroda zaporni vijak voda (term. kopel) voda (term. kopel) reakcijski medij magnetno mešalo zapiralni obroč raztopina KCl anoda (Ag) katoda (Pt) teflonska membrana

Kisikova elektroda

Primer meritev odvisnosti fotosinteze od ph; kisikova elktroda (Pfanz, 1995)

Meritve fotosinteze in dihanja skorje pri jablani vpliv starosti 15 10 izmenjava O 2 (µmol m -2 so -1 ) 2 [µmol m -2 s -1 ] 5 0-5 -10 1 2 3 4 5 6 letnik fotosinteza fs dihanje Kotar in sod., 2003

Meritve fotosinteze II. Meritve fluorescence Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

stroma e - reducent (NADPH) energija ATP H + ADP +P H 2 O tilakoida O 2 +H + H + H + H + H + H + lumen

Meritve fluorescence svetloba oddajanje toplote Chl a* fluorescenca e - e - P 680 Z Q A e - fotokemično delo fotokemično delo P (fotokemično dušenje) toplota D (nefotokemično dušenje) fluorescenca F P + D + F = 1 Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

stroma FLUORESCENCA FOTOKEMIČNO DELO e - reducent (NADPH) tilakoida TOPLOTA lumen

Meritve fluorescence - Kautsky-ev efekt Če prenesemo zeleno rastlino iz teme na svetlobo, se v času 1 sekunde poveča fluorescentni signal Razlaga: zasičenost prenašalcev elektrona predvsem kinonov (Q A ) - zaprti reakcijski centri Po ca 1s se začne fluorescentni signal zmanjševati - dušenje fluorescence Razlaga: zaradi aktivacije fotosinteze se e - učinkovito transportirajo stran od PSII - fotokemično dušenje energija se izgublja v obliki toplote - nefotokemično dušenje Ekofiziologija in mineralna prehrana rastlin

Citokrom b6f kompleks Kompleks, ki sprošča kisik svetloba svetloba Fotosistem II Fotosistem I

stroma reducent (NADPH) tilakoida lumen FOTOKEMIČNO DELO = 0

saturacijski pulz osnovna fluorescenca temotno adaptiranega vzorca potencialna učinkovitost PSII F v /F m = (F m -F 0 ) / F m

Meritve fluorescence metoda saturacijskega pulza Saturacijski svetlobni pulz Φ II = P = 0 F m + D m = 1 ali D m = 1 F m (1) ker je D/F = D m /F m D = F (1-F m )/F m (2) s kombinacijo (2) in P + F + D = 1 dobimo P = 1 F D = 1- F - F (1-F m )/F m = (F m F)/F m = F v /F m

stroma FLUORESCENCA FOTOKEMIČNO DELO e - reducent (NADPH) tilakoida TOPLOTA lumen

potencialna učinkovitost PSII F v /F m = (F m -F 0 ) / F m dejanska učinkovitost PSII Φ PSII = (F m -F t ) / F m (yield)

Parametri fotokemičnega dušenja Φ PSII kvantna učinkovitost PSII (F m -F t ) / F m qp delež odprtih PSII (F m - F t ) / (F m - F 0 ) F v /F m potencialna učinkovitost PSII (F m -F 0 ) / F m J hitrost linearnega toka e - J = Φ PSII * PFD *(0.5) Parametri nefotokemičnega dušenja NPQ nefotokemično dusenje (F m0 -F m ) / F m

Kumare - meritve fluorescence 17.8.00 Fv / Fm 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 A B C D E 0,000 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 čas

Svetlobne krivulje, izmerjene s plinskim analizatorjem Svetlobne krivulje, izmerjene s fluorometrom